Welches Material ist 5 % so dicht wie Stahl, aber 10 Mal so stark?

Ein Forscherteam am Massachusetts Institute of Technology (MIT) hat mit einem Multimaterial-3D-Drucker eines der stärksten Leichtbaumaterialien untersucht. Durch das Komprimieren und Schmelzen von Graphenschichten stellten sie ein Material her, das 5 % so dicht wie Stahl und zehnmal so stark wie Stahl ist.
Durch das Komprimieren der Graphenschichten mit Hitze und Druck erhielten die Forscher eine starke und stabile Struktur, die ein bisschen wie Koralle aussah. Bald entdeckten die Wissenschaftler, dass es diese ungewöhnliche korallenartige Form war, die das komprimierte Graphen so stark machte, und nicht die Eigenschaften des Materials selbst. Daher können Wissenschaftler durch die Replikation dieser 3D-Form in anderen günstigeren Materialien wie Kunststoff eine graphenähnliche Festigkeit zu geringeren Kosten erreichen.
Als die Graphenstruktur bis an ihre Grenzen komprimiert wurde, stellten die Forscher fest, dass sie ein unglaublich starkes Material hatten, das 5 % so dicht wie Stahl, aber zehnmal so stark war. Durch die Analyse der geometrischen Anordnung der komprimierten Graphenschichten konnten die Forscher dieses stärkste Material teilweise mit einem 3D-Drucker reproduzieren.
Wird Graphen mit solch hervorragenden Eigenschaften Stahl ersetzen?
Die Popularität von Graphen nimmt zu
Seit Dr. Constantine im Jahr 2004 Graphen mithilfe von Klebeband vom Graphit trennte, ist das Thema Graphen in aller Munde.
In den letzten Jahren hat die überwältigende Berichterstattung verschiedener Medien Graphen endgültig in den Vordergrund des Themas gerückt – Medizin, Immobilien, Automobil, Computer, Biologie und andere Branchen sind alle damit verbunden. Eine Zeit lang wurde Graphen fast zum Synonym für Spitzentechnologie. Es scheint, dass es sich nicht um eine High-Tech-Industrie handelt, wenn es nicht in der externen Öffentlichkeit erwähnt wird. Warum ist Graphen so beliebt? Wird es nach „Kohle, Stahl und Silizium“ wirklich zum viertgrößten Rohstoff der Menschheit? Lassen Sie die Entwicklung der Realität uns die Antwort geben.
Das erste Material, das aus einer einzigen Atomschicht besteht
Die Kohlenstoffatome sind in einem hexagonalen Gitter miteinander verbunden. Der in Bleistiften verwendete Graphit entspricht unzähligen übereinander gestapelten Graphenschichten, und Kohlenstoffnanoröhren sind zu einer Röhre gerollte Graphene.
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Aufgrund der Eigenschaften der chemischen Bindungen zwischen Kohlenstoffatomen ist Graphen sehr zäh: Es lässt sich in einem großen Winkel biegen, ohne zu brechen, und hält hohem Druck stand. Da es nur eine Atomschicht gibt, ist die Bewegung der Elektronen auf eine Ebene beschränkt, was ihr neue elektrische Eigenschaften verleiht. Graphen ist unter sichtbarem Licht transparent, aber nicht atmungsaktiv. Aufgrund dieser Eigenschaften eignet es sich als Schutzschicht und Rohstoff für transparente elektronische Produkte.
Die Entstehung von Graphen ist nicht weniger als eine kleine Energierevolution
Die besondere physikalische Struktur von Graphen verleiht ihm eine hervorragende elektrische und thermische Leitfähigkeit, sodass es auch das Material mit dem niedrigsten spezifischen Widerstand der Welt ist. Daher wird die Energiedichte von Batterien aus Graphen bis zu 600 Wh/kg betragen, während die fortschrittlichste Lithiumbatterie nur 180 Wh/kg beträgt.
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Beispielsweise kann ein Graphen-Akku 5 Minuten lang aufgeladen werden und 24 Stunden lang sprechen.
Darüber hinaus wiegen Graphenbatterien ein Achtel des Gewichts herkömmlicher Lithiumbatterien und ihre Lebensdauer ist doppelt so lang. Denken Sie an die Entwicklungsengpässe der aktuellen Mobiltelefon-, Elektrofahrzeug- und anderen Branchen ...
Im am meisten erwarteten Bereich der Zukunft – dem Bereich der Biotechnik – könnte Graphen ein Superstar für den Menschen sein.
Die Boise State University in den Vereinigten Staaten veröffentlichte einen Artikel mit dem Titel „Graphene Foam Provides a Three-Dimensional Platform for Myotube Growth“, in dem die Anwendung von Graphenschaum im Muskelgewebe untersucht wurde. Die Ergebnisse zeigen, dass sich Graphenschaum als Gerüstmaterial für den Aufbau von funktionellem Muskelgewebe eignet. Graphen selbst ist eine dünne Kohlenstoffschicht und wird daher als zweidimensionales, planares Material betrachtet. Graphenschaum ist jedoch ein 3D-Graphen, das aus Graphen hergestellt wird.
Letztendlich nutzten die Forscher die einzigartigen Eigenschaften von Graphen und Graphenschaum bei der Regeneration menschlicher Organe. Frühere Studien haben bestätigt, dass Knochen und Knorpel auf Graphenschaum wachsen können, aber dies ist nur der erste Schritt in der Kompatibilität von Graphenschaum mit Muskelwachstum.
Estrada, Assistenzprofessor an der School of Materials Science and Engineering der Boise State University, sagte: „Wir hoffen, diese Ergebnisse nutzen zu können, um die grundlegenden chemischen Veränderungen des Lebens zu untersuchen und zu klinischen Anwendungen zu gelangen.“ In Zukunft könnte es durch das neue Material Graphenschaum zu einem Schalter zur Steuerung von Muskeln werden, ähnlich den Nerven, die Muskeln steuern, und es ist möglicherweise keine Fantasie, Behinderten Vorteile zu bringen.
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Licht ist das Geheimnisvollste, und niemand wird sich einer neuen Art der Lichterzeugung beugen.
MIT-Forscher haben einen Prozess entdeckt, der dem Überschallknall ähnelt, der entsteht, wenn ein Flugzeug die Schallgeschwindigkeit überschreitet: Elektrische Ladungen, die durch Graphen fließen, können unter bestimmten Umständen die verlangsamte Lichtgeschwindigkeit überschreiten und so einen „Lichtstoß“ erzeugen, einen intensiven, fokussierten Lichtstrahl.
Diese neue Art der Umwandlung elektrischer Energie in sichtbare Strahlung ist hochgradig kontrollierbar, schnell und effizient. Die Forscher sagen, dass dies zu einer Vielzahl neuer Anwendungen führen könnte.
„Graphen kann Licht durch sogenannte Oberflächenplasmonen einfangen“, sagten die Forscher. Plasmonen sind virtuelle Teilchen, die die Schwingungen von Oberflächenelektronen darstellen. Diese Plasmonen bewegen sich hundertmal langsamer als die Lichtgeschwindigkeit im freien Raum durch Graphen.“ Diese Eigenschaft eröffnet auch die Möglichkeit, dass Graphen den gegenteiligen Effekt hat: Licht erzeugen, anstatt es einzufangen.
Viele wissenschaftliche Studien haben uns die erstaunlichen Eigenschaften von Graphen gezeigt, aber es gibt einen Haken.
Diese wunderbaren Eigenschaften erfordern eine sehr hohe Probenqualität. Um Graphenproben mit den besten elektrischen und mechanischen Eigenschaften zu erhalten, ist eine zeitaufwändige, arbeitsintensive und teure Methode erforderlich: mechanisches Peeling – zuerst Klebeband auf Graphit kleben und dann das Graphen manuell abziehen.
Einige Experten glauben, dass der aktuelle Graphen-Wahn dem Investitionsimpuls in der Vergangenheit im Schiffbau und in der Photovoltaik ähnelt, was die tief verwurzelten Spekulationen von Unternehmen und Regierungen widerspiegelt. Ein Graphen-Unternehmensmanager sagte sogar, dass dies sicherlich auf die Blindheit der Unternehmer zurückzuführen sei, dass es sich aber eher um den BIP-Impuls lokaler Regierungen handele und dass das Risiko einer „Blase“ dahinter nicht unterschätzt werden dürfe.